DE102021200008A1 - Method and device for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system, fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, bei dem mindestens zwei in Reihe geschaltete Strahlpumpen (1, 2) verwendet werden, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (10) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (10).The invention relates to a method for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system, in which at least two jet pumps (1, 2) connected in series are used, which are operated individually or jointly depending on the load. The invention also relates to a device (10) for Recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system and a fuel cell system with a device (10) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Ferner wird eine Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.The invention relates to a method for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system. A device for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system is also proposed. The device enables the method according to the invention to be carried out. In addition, the invention relates to a fuel cell system with a device according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, mit deren Hilfe ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden können. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Anode und eine Kathode auf. Die Anode wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems mit dem Brennstoff, die Kathode mit dem Oxidationsmittel versorgt. Bei dem Brennstoff handelt es sich demnach um das Anodengas.A fuel cell system comprises at least one fuel cell, which can be used to convert a fuel, for example hydrogen, and an oxidizing agent, for example oxygen, into electrical energy, heat and water. For this purpose, the fuel cell has an anode and a cathode. During operation of the fuel cell system, the anode is supplied with the fuel and the cathode with the oxidizing agent. The fuel is therefore the anode gas.

Systemisch hat sich bei der Versorgung der Anode mit Brennstoff bzw. Anodengas der Ansatz etabliert, das noch brennstoffreiche aus der Brennstoffzelle austretende Anodengas zu rezirkulieren und zusammen mit frischem Brennstoff erneut der Anode zuzuführen. Hierbei gelangt oftmals eine Strahlpumpe - allein oder in Kombination mit einem Rezirkulationsgebläse - als Gasfördereinheit zum Einsatz. Problematisch ist dabei eine nachlassende Rezirkulationsleistung der Strahlpumpe im Teillastbereich bzw. im niederen Lastbereich.Systemically, when supplying the anode with fuel or anode gas, the approach has become established of recirculating the anode gas exiting the fuel cell, which is still rich in fuel, and feeding it back to the anode together with fresh fuel. Here, a jet pump - alone or in combination with a recirculation fan - is often used as the gas delivery unit. The problem here is a decreasing recirculation performance of the jet pump in the partial load range or in the low load range.

Mit der Lösung dieses Problems ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.The present invention is concerned with solving this problem. The method with the features of claim 1 and the device with the features of claim 5 are proposed for the solution. Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims. Furthermore, a fuel cell system with a device according to the invention is specified.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems werden mindestens zwei in Reihe geschaltete Strahlpumpen verwendet, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden.In the proposed method for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system, at least two jet pumps connected in series are used, which are operated individually or jointly depending on the load.

Durch Vorsehen mindestens einer weiteren Strahlpumpe, die vorzugsweise auf einen anderen Lastbereich ausgelegt ist als die erste Strahlpumpe, kann lastabhängig die eine oder die andere Strahlpumpe angesteuert werden. Grundsätzlich können auch beide Strahlpumpen zur Rezirkulation von Anodengas eingesetzt werden. Auf diese Weise kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung erbracht werden, und zwar sowohl bei hoher als auch bei niedriger Last.By providing at least one additional jet pump, which is preferably designed for a different load range than the first jet pump, one or the other jet pump can be activated depending on the load. In principle, both jet pumps can also be used for the recirculation of anode gas. In this way, a consistently high recirculation performance can be achieved, both at high and at low loads.

Bevorzugt wird bei Niedriglast lediglich eine und/oder eine für Niedriglast ausgelegte Strahlpumpe betrieben. Dies führt zu einer lastangepassten Rezirkulationsleistung. Für Hochlast kann eine Hochlast-Strahlpumpe vorgesehen sein, die dann anstelle oder zusammen mit der Niedriglast-Strahlpumpe betrieben wird.At low load, only one jet pump and/or one jet pump designed for low load is preferably operated. This leads to a load-adapted recirculation performance. A high-load jet pump can be provided for high loads, which is then operated instead of or together with the low-load jet pump.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zur Ansteuerung mindestens einer Strahlpumpe ein Ventil verwendet wird, über welches der Strahlpumpe frisches Anodengas zugeführt wird. Die Strahlpumpe kann somit getrennt von der mindestens einen weiteren Strahlpumpe angesteuert werden, insbesondere kann die Strahlpumpe zu- oder abgeschaltet werden.Furthermore, it is proposed that a valve is used to control at least one jet pump, via which fresh anode gas is supplied to the jet pump. The jet pump can thus be controlled separately from the at least one other jet pump; in particular, the jet pump can be switched on or off.

Das Ventil zur Ansteuerung der Strahlpumpe bzw. Zuführung von frischem Anodengas ist vorzugsweise stromaufwärts einer Treibdüse der Strahlpumpe angeordnet. Mit Hilfe der Treibdüse wird ein Fluidstrahl aus frischem Anodengas erzeugt, der die zur Rezirkulation erforderliche Pumpwirkung generiert das frische Anodengas dient demnach als Treibmedium. Wird die Zuführung von frischem Anodengas unterbunden, bleibt die Strahlpumpe deaktiviert, das heißt, dass kein abgereichertes Anodengas aus einer an die Strahlpumpe angeschlossenen Rezirkulationsleitung angesaugt wird.The valve for controlling the jet pump or supplying fresh anode gas is preferably arranged upstream of a driving nozzle of the jet pump. With the aid of the motive nozzle, a fluid jet is generated from fresh anode gas, which generates the pumping effect required for recirculation. The fresh anode gas therefore serves as the motive medium. If the supply of fresh anode gas is prevented, the jet pump remains deactivated, which means that no depleted anode gas is drawn in from a recirculation line connected to the jet pump.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Dosierventil, vorzugsweise ein Dosierventil mit integrierter Treibdüse, zur Ansteuerung der mindestens einen Strahlpumpe verwendet wird. Eine separate Treibdüse kann somit entfallen. Anstelle der Treibdüse kann dann das Dosierventil in die Strahlpumpe integriert werden. Auf diese Weise wird eine kompakte Anordnung geschaffen. Durch Integration der Treibdüse in das Dosierventil kann zudem der Druckverlust verringert und die Effizienz der Strahlpumpe erhöht werden.In a development of the invention, it is proposed that a metering valve, preferably a metering valve with an integrated propulsion nozzle, be used to control the at least one jet pump. A separate driving nozzle can thus be omitted. The dosing valve can then be integrated into the jet pump instead of the driving nozzle. In this way a compact arrangement is created. By integrating the driving nozzle into the metering valve, the pressure loss can also be reduced and the efficiency of the jet pump increased.

Vorteilhafter Weise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren zwei Strahlpumpen zur Rezirkulation von Anodengas eingesetzt, und zwar eine Niedriglast-Strahlpumpe sowie eine Hochlast-Strahlpumpe. Diese sind vorzugsweise derart in Reihe geschaltet, dass die Niedriglast-Strahlpumpe der Hochlast-Strahlpumpe vorgelagert ist. Die der Hochlast-Strahlpumpe zudosierte frische Brennstoff- bzw. Anodengasmenge muss demnach nicht durch die Niedriglast-Strahlpumpe strömen, so dass der Druckverlust vergleichsweise gering gehalten werden kann.In the proposed method, two jet pumps are advantageously used for the recirculation of anode gas, specifically a low-load jet pump and a high-load jet pump. These are preferably connected in series in such a way that the low-load jet pump is upstream of the high-load jet pump. The high-load jet pump metered fresh amount of fuel or anode gas must therefore not flow through the low-load jet pump, so that the Pressure loss can be kept comparatively low.

Die Anordnung der beiden Strahlpumpen in Reihe besitzt gegenüber einer parallelen Anordnung bzw. Verschaltung den Vorteil, dass kein Rückströmen von Anodengas durch die jeweils inaktive Strahlpumpe zu befürchten ist. Bei parallel geschalteten Strahlpumpen ist daher stets mindestens ein zusätzliches Sperrelement, beispielsweise Rückschlagventil, erforderlich. Dieses kann bei in Reihe geschalteten Strahlpumpen entfallen.The arrangement of the two jet pumps in series has the advantage over a parallel arrangement or connection that there is no risk of anode gas flowing back through the respective inactive jet pump. In the case of jet pumps connected in parallel, at least one additional blocking element, for example a non-return valve, is therefore always required. This can be omitted with jet pumps connected in series.

Die darüber hinaus vorgeschlagene Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems umfasst mindestens zwei in Reihe geschaltete Strahlpumpen, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist demnach insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Mit Hilfe der Vorrichtung lassen sich somit die gleichen Vorteile erzielen wie mit Hilfe des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung bereitgestellt werden, da die Strahlpumpen getrennt voneinander ansteuerbar sind. Ein Rückströmen von Anodengas durch die jeweils inaktive Strahlpumpe ist dabei nicht zu befürchten.The additionally proposed device for the recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system comprises at least two jet pumps connected in series, which can be operated individually or together depending on the load. The proposed device is therefore particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above. The same advantages can thus be achieved with the aid of the device as with the aid of the method according to the invention described above. In particular, a consistently high recirculation capacity can be provided since the jet pumps can be controlled separately from one another. There is no risk of anode gas flowing back through the respective inactive jet pump.

Vorteilhafterweise umfassen die in Reihe geschalteten Strahlpumpen eine erste Strahlpumpe für Niedriglast und eine weitere Strahlpumpe für Hochlast. Bei Niedriglast kann dann die Niedriglast-Strahlpumpe betrieben werden, bei Hochlast die Hochlast-Strahlpumpe. Die Strahlpumpe für Hochlast ist vorzugsweise der Strahlpumpe für Niedriglast nachgeschaltet. Auf diese Weise kann der beim Durchströmen beider Strahlpumpen entstehende Druckverlust verringert werden.Advantageously, the series-connected jet pumps include a first jet pump for low loads and a further jet pump for high loads. The low-load jet pump can then be operated at low load, and the high-load jet pump at high load. The high-load jet pump is preferably downstream of the low-load jet pump. In this way, the pressure loss occurring when the two jet pumps flow through can be reduced.

Bevorzugt weist mindestens eine Strahlpumpe im Bereich eines Einlasses für frisches Anodengas ein Ventil auf. Bei dem Ventil kann es sich insbesondere um ein Dosierventil handeln, das eine genaue Zudosierung von frischem Anodengas ermöglicht. Das Ventil ist vorzugsweise stromaufwärts einer in die Strahlpumpe integrierten Treibdüse angeordnet, mit deren Hilfe die gewünschte Pumpwirkung erzielbar ist. Alternativ kann im Bereich des Einlasses ein Dosierventil mit integrierter Treibdüse verwendet werden, so dass eine separate Treibdüse entbehrlich ist. Die Vorrichtung kann auf diese Weise kompakter gestaltet werden. Die integrierte Treibdüse wird mit Hilfe des Dosierventils gesteuert.At least one jet pump preferably has a valve in the area of an inlet for fresh anode gas. The valve can in particular be a metering valve that enables fresh anode gas to be metered in precisely. The valve is preferably arranged upstream of a propulsion nozzle integrated into the jet pump, with the aid of which the desired pumping effect can be achieved. Alternatively, a metering valve with an integrated motive nozzle can be used in the inlet area, so that a separate motive nozzle is not required. The device can be made more compact in this way. The integrated propulsion nozzle is controlled with the help of the dosing valve.

Zur Schaffung einer kompakten Vorrichtung wird ferner vorgeschlagen, dass die in Reihe geschalteten Strahlpumpen baulich gekoppelt sind. Vorzugsweise bilden sie eine Baueinheit aus.In order to create a compact device, it is also proposed that the jet pumps connected in series be structurally coupled. They preferably form a structural unit.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die in Reihe geschalteten Strahlpumpen koaxial angeordnet, so dass ein Strömungspfad durch die erste Strahlpumpe in einen Ansaugraum der nachgeschalteten Strahlpumpe mündet. Die Zuführung von rezirkuliertem Anodengas in die nachgeschaltete Strahlpumpe erfolgt demnach axial, was zu einer Verringerung der Strömungsverluste führt. Die Zuführung von frischem Anodengas erfolgt in diesem Fall bevorzugt von der Seite bzw. radial.According to a preferred embodiment of the invention, the jet pumps connected in series are arranged coaxially, so that a flow path through the first jet pump opens into an intake chamber of the downstream jet pump. The supply of recirculated anode gas to the downstream jet pump is therefore axial, which leads to a reduction in flow losses. In this case, fresh anode gas is preferably fed in from the side or radially.

Als weiterbildende Maßnahme wird daher vorgeschlagen, dass mindestens ein Ventil, vorzugsweise Dosierventil, zur Ansteuerung einer Strahlpumpe radial zur Hauptströmungsrichtung durch die jeweilige Strahlpumpe ausgerichtet ist. Sofern dies nur bei einer Strahlpumpe der Fall ist, handelt es sich hierbei bevorzugt um eine nachgeschaltete Strahlpumpe. Das Ventil der ersten Strahlpumpe kann sowohl axial als auch radial angeordnet bzw. ausgerichtet sein.As a further development measure, it is therefore proposed that at least one valve, preferably metering valve, for controlling a jet pump is aligned radially to the main direction of flow through the respective jet pump. If this is only the case with one jet pump, this is preferably a downstream jet pump. The valve of the first jet pump can be arranged or aligned both axially and radially.

Da der bevorzugte Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Brennstoffzellensystem ist, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Die Vorrichtung ist dabei in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems angeordnet. Der Anodenkreis umfasst vorzugsweise einen Zulaufpfad, über den ein Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems mit Anodengas versorgbar ist, sowie einen Rezirkulationspfad, über den aus dem Brennstoffzellenstapel austretendes abgereichertes Anodengas rezirkuliert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbindet den Rezirkulationspfad mit dem Zulaufpfad des Anodenkreises. Das heißt, dass die Vorrichtung sowohl an den Zulaufpfad, als auch an den Rezirkulationspfad angeschlossen ist. Darüber hinaus ist zumindest ein Anschluss der Vorrichtung an eine Speichereinrichtung für frisches Anodengas vorgesehen. Das frische Anodengas wird mit Hilfe eines Ventils, vorzugsweise eines Dosierventils, stromaufwärts einer Treibdüse in eine Strahlpumpe eingebracht, so dass ein Fluidstrahl erzeugt wird, der die gewünschte Pumpwirkung erzielt. Anstelle einer separaten Treibdüse kann ein Dosierventil mit integrierter Treibdüse verwendet werden.Since the preferred area of application of the device according to the invention is a fuel cell system, a fuel cell system with a device according to the invention is also proposed. The device is arranged in an anode circuit of the fuel cell system. The anode circuit preferably comprises an inflow path, via which a fuel cell stack of the fuel cell system can be supplied with anode gas, and a recirculation path, via which depleted anode gas exiting the fuel cell stack is recirculated. The device according to the invention connects the recirculation path to the inflow path of the anode circuit. This means that the device is connected both to the inflow path and to the recirculation path. In addition, at least one connection of the device to a storage facility for fresh anode gas is provided. The fresh anode gas is introduced into a jet pump upstream of a driving nozzle with the aid of a valve, preferably a metering valve, so that a fluid jet is generated which achieves the desired pumping effect. Instead of a separate motive nozzle, a dosing valve with an integrated motive nozzle can be used.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
  • 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
  • 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic longitudinal section through a device according to the invention according to a first preferred embodiment,
  • 2 a schematic longitudinal section through a device according to the invention according to a second preferred embodiment and
  • 3 a schematic longitudinal section through a device according to the invention according to a third preferred embodiment.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Die in der 1 dargestellte Vorrichtung 10 ist zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (nicht dargestellt) einsetzbar. Zur Vermeidung einer nachlassenden Rezirkulationsleistung weist die Vorrichtung 10 eine erste Strahlpumpe 1 sowie eine zweite Strahlpumpe 2 auf. Die beiden Strahlpumpen 1, 2 sind in Reihe geschaltet und koaxial angeordnet, so dass ein Diffusor 15 der ersten Strahlpumpe 1 direkt in einen Ansaugraum 12 der nachgeschalteten Strahlpumpe 2 mündet. Über Ventile 3, 4, wobei es sich um Dosierventile handelt, sind beide Strahlpumpen 1, 2 getrennt ansteuerbar.The one in the 1 The device 10 shown can be used for the recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system (not shown). The device 10 has a first jet pump 1 and a second jet pump 2 in order to avoid a decreasing recirculation performance. The two jet pumps 1, 2 are connected in series and arranged coaxially, so that a diffuser 15 of the first jet pump 1 opens directly into an intake chamber 12 of the jet pump 2 connected downstream. Both jet pumps 1, 2 can be controlled separately via valves 3, 4, which are metering valves.

Die der Ansteuerung dienenden Ventile 3, 4 sind jeweils im Bereich eines Einlasses 8 in die Strahlpumpen 1, 2 integriert, so dass den Strahlpumpen 1, 2 über die Ventile 3, 4 frisches Anodengas zuführbar ist. Stromabwärts der Ventile 3, 4 ist jeweils eine Treibdüse 7 angeordnet, um die zur Rezirkulation benötigte Pumpwirkung zu erzeugen. Das frische Anodengas dient dabei als Treibmedium. Da in dem Ausführungsbeispiel der 1 die Ventile 3, 4 radial angeordnet sind, das heißt quer zu einer Hauptströmungsrichtung 5 durch die beiden Strahlpumpen 1, 2, müssen die Treibdüsen 7 parallel zur Hauptströmungsrichtung 5 orientiert werden.The valves 3 , 4 used for activation are each integrated in the area of an inlet 8 in the jet pumps 1 , 2 , so that fresh anode gas can be supplied to the jet pumps 1 , 2 via the valves 3 , 4 . A propulsion nozzle 7 is arranged downstream of the valves 3, 4 in order to generate the pumping action required for recirculation. The fresh anode gas serves as the driving medium. Since in the embodiment of 1 the valves 3, 4 are arranged radially, ie transversely to a main flow direction 5 through the two jet pumps 1, 2, the propulsion nozzles 7 must be oriented parallel to the main flow direction 5.

Das rezirkulierte Anodengas wird den beiden Strahlpumpe 1, 2 über einen gemeinsamen Zulauf 6 zugeführt. Der Zulauf 6 ist vorliegend axial ausgerichtet. Über den Zulauf 6 gelangt das rezirkulierte Anodengas in einen Ansaugraum 11 der ersten Strahlpumpe 1, in der auch die Treibdüse 7 aufgenommen ist. Auf den Ansaugraum 11 folgt ein Mischrohr 13, in dem sich frisches Anodengas und rezirkuliertes Anodengas mischen. Das Mischrohr 13 mündet in den Diffusor 15.The recirculated anode gas is fed to the two jet pumps 1 , 2 via a common inlet 6 . In the present case, the inlet 6 is aligned axially. Via the inlet 6, the recirculated anode gas reaches an intake chamber 11 of the first jet pump 1, in which the driving nozzle 7 is also accommodated. The intake chamber 11 is followed by a mixing tube 13 in which fresh anode gas and recirculated anode gas are mixed. The mixing tube 13 opens into the diffuser 15.

Die zweite Strahlpumpe 2 ist im Wesentlichen identisch aufgebaut, jedoch größer dimensioniert. Die zweite Strahlpumpe 2 ist demnach für Hochlast ausgelegt, während die erste Strahlpumpe 1 lediglich für Niedriglast ausgelegt ist. Auf den Ansaugraum 12 der zweiten Strahlpumpe 2 folgen wiederum ein Mischrohr 14 und ein Diffusor 16. an den Diffusor 16 schließt sich ein gemeinsamer Auslass 9 an.The second jet pump 2 is constructed essentially identically, but has larger dimensions. The second jet pump 2 is therefore designed for high loads, while the first jet pump 1 is only designed for low loads. The intake chamber 12 of the second jet pump 2 is in turn followed by a mixing tube 14 and a diffuser 16 . The diffuser 16 is followed by a common outlet 9 .

Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zu entnehmen. Diese unterscheidet sich von der der 1 im Wesentlichen dadurch, dass das Ventil 3 der erste Strahlpumpe 1 axial und der gemeinsame Zulauf 6 für das rezirkulierte Anodengas radial angeordnet sind. Auf diese Weise können die Strömungsverluste weiter reduziert werden, da beide Strahlpumpen 1, 2 axial durchströmt werden. Darüber hinaus ist das Ventil 3 als Dosierventil mit integrierter Treibdüse 7 ausgebildet, so dass nur noch eine separate Treibdüse 7 erforderlich ist.Of the 2 a further preferred embodiment of a device 10 according to the invention can be seen. This differs from that of 1 essentially in that the valve 3 of the first jet pump 1 is arranged axially and the common inlet 6 for the recirculated anode gas is arranged radially. In this way, the flow losses can be further reduced since both jet pumps 1, 2 are flowed through axially. In addition, the valve 3 is designed as a metering valve with an integrated driving nozzle 7, so that only a separate driving nozzle 7 is required.

Bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 sind die beiden Strahlpumpe 1, 2 nicht koaxial, sondern leicht versetzt zueinander angeordnet. Diese Ausgestaltung schafft Platz für eine axiale Anordnung des Ventils 4 analog der des Ventils 3. Der Diffusor 15 der ersten Strahlpumpe 1 mündet hierzu in einen Auslass 9, der mit dem Ansaugraum 12 der zweiten Strahlpumpe 2 verbunden ist.At the in the 3 illustrated embodiment of a device 10 according to the invention, the two jet pumps 1, 2 are not coaxial, but slightly offset from each other. This configuration creates space for an axial arrangement of the valve 4 analogous to that of the valve 3 . For this purpose, the diffuser 15 of the first jet pump 1 opens into an outlet 9 which is connected to the suction chamber 12 of the second jet pump 2 .

Claims (10)

Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, bei dem mindestens zwei in Reihe geschaltete Strahlpumpen (1, 2) verwendet werden, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden.Process for the recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system, in which at least two jet pumps (1, 2) connected in series are used, which are operated individually or jointly depending on the load. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Niedriglast lediglich eine und/oder eine für Niedriglast ausgelegte Strahlpumpe (1) betrieben wird.procedure after claim 1 , characterized in that at low load only one and/or one jet pump (1) designed for low load is operated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung mindestens einer Strahlpumpe (1, 2) ein Ventil (3, 4) verwendet wird, über welches der Strahlpumpe (1, 2) frisches Anodengas zugeführt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that to control at least one jet pump (1, 2) a valve (3, 4) is used, via which the jet pump (1, 2) fresh anode gas is supplied. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dosierventil (3', 4'), vorzugsweise ein Dosierventil (3', 4') mit integrierter Treibdüse (7), zur Ansteuerung der mindestens einen Strahlpumpe (1, 2) verwendet wird.procedure after claim 3 , characterized in that a metering valve (3', 4'), preferably a metering valve (3', 4') with an integrated propulsion nozzle (7), is used to control the at least one jet pump (1, 2). Vorrichtung (10) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens zwei in Reihe geschaltete Strahlpumpen (1, 2), die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind.Device (10) for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system, comprising at least two jet pumps (1, 2) connected in series, which can be operated individually or together depending on the load. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe geschalteten Strahlpumpen eine erste Strahlpumpe (1) für Niedriglast und eine weitere Strahlpumpe (2) für Hochlast umfassen, wobei vorzugsweise die-Strahlpumpe (2) für Hochlast der Strahlpumpe (1) für Niedriglast nachgeschaltet ist.Device (10) after claim 5 , characterized in that the jet pumps connected in series comprise a first jet pump (1) for low load and a further jet pump (2) for high load, preferably the jet pump (2) for high load is downstream of the jet pump (1) for low load. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Strahlpumpe (1, 2) im Bereich eines Einlasses (8) für frisches Anodengas ein Ventil (3, 4), vorzugsweise ein Dosierventil (3', 4'), weiterhin vorzugsweise ein Dosierventil (3', 4') mit integrierter Treibdüse (7), aufweist.Device (10) after claim 5 or 6 , characterized in that at least one jet pump (1, 2) in the area of an inlet (8) for fresh anode gas has a valve (3, 4), preferably a metering valve (3', 4'), more preferably a metering valve (3', 4') with an integrated driving nozzle (7). Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpen (1, 2) koaxial angeordnet sind, so dass ein Strömungspfad (11) durch die erste Strahlpumpe (1) in einen Ansaugraum (12) der nachgeschalteten Strahlpumpe (2) mündet.Device (10) according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that the jet pumps (1, 2) are arranged coaxially, so that a flow path (11) through the first jet pump (1) opens into a suction chamber (12) of the downstream jet pump (2). Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil (3, 4), vorzugsweise Dosierventil (3', 4'), zur Ansteuerung einer Strahlpumpe (1, 2) quer zur Hauptströmungsrichtung durch die jeweilige Strahlpumpe (1, 2) ausgerichtet ist.Device (10) after claim 8 , characterized in that at least one valve (3, 4), preferably metering valve (3', 4'), for controlling a jet pump (1, 2) is aligned transversely to the main direction of flow through the respective jet pump (1, 2). Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9, wobei die Vorrichtung in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.Fuel cell system with a device (10) according to one of the preceding ones Claims 5 until 9 , wherein the device is arranged in an anode circuit of the fuel cell system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7309537B2 (en) * 2003-09-18 2007-12-18 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell system with fluid stream recirculation
DE102007004590A1 (en) * 2007-01-30 2008-07-31 Daimler Ag Gas-supply assembly for anode-sided gas supply in fuel cell device, has jet pump arrangement for delivering of supply gas in gas supply section under insertion of gas propellant
US8920999B2 (en) * 2007-12-14 2014-12-30 GM Global Technology Operations LLC Multiple injector and ejector array
KR101610407B1 (en) * 2010-11-10 2016-04-07 현대자동차주식회사 Recirculation Structure of Hydrogen for Fuel Cell using Multistage Ejector
EP3050148B1 (en) * 2013-09-23 2017-08-02 Convion Oy A recirculation arrangement and method for a high temperature cell system
CN209607847U (en) * 2019-04-12 2019-11-08 上海楞次新能源汽车科技有限公司 Injector unit and the fuel cell hydrogen gas circulating system for having the injector unit

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022209707A1 (en) 2022-09-15 2024-03-21 Volkswagen Aktiengesellschaft Nozzle arrangement with integrated guidance of the nozzle needle

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